真空脫氣裝置抽氣系統(tǒng)阻降過大分析分析

真空脫氣裝置抽氣系統(tǒng)阻降過大分析分析分析了造成真空脫氣裝置抽氣系統(tǒng)阻降過大的可能性原因，建立了適用于工程設計的計算模型，計算得出氣體冷卻器是造成阻降過大的主要原因，計算結果與真空計實測值接近。提出了新的改良方法，如增加冷卻器通導面積，調(diào)整列管排布構造。最后給出了一種新型的冷卻器設計方案，使系統(tǒng)阻降由200Pa降至21Pa，工作真空度到達67Pa以上，終點[H]由2.2ppm降至1.4ppm，滿足冶金工藝要求。該文對未來真空脫氣設備工程應用具有一定的指導意義。

真空脫氣(VacuumDegassing，簡稱VD)是鋼液爐外精煉的重要手段之一，是指在一定的真空環(huán)境下，脫除鋼液中的有害氣體，如H和O，并將N含量降至較低范圍，對鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的合金鋼具有重要的作用。終點[H]含量是VD設備性能的主要考核指標，為了滿足特殊鋼種的要求，一般要求處理后鋼液[H]含量≤2ppm。為了獲得較好的脫氫率，根據(jù)溶解度和真空度服從二次方根定律的關系，工作真空度需高于67Pa，也就是說，只有在真空罐內(nèi)壓強低于67Pa的狀態(tài)下，脫氫、脫氧目標才能到達。

本文所研究的對象為國內(nèi)某用戶新建的VD真空脫氣裝置。相比于傳統(tǒng)設備而言，采用了無油機械泵機組，維護成本低，更加經(jīng)濟、節(jié)能、環(huán)保。設備主要由以下部分組成：機械泵系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)和真空罐系統(tǒng)，如圖1所示。機械泵機組由螺桿泵和羅茨泵組成，除塵系統(tǒng)由氣體冷卻器及布袋除塵器構成，真空罐系統(tǒng)包含真空罐體、罐蓋及罐蓋車。為了監(jiān)測真空度，在整個抽氣管路上設定了兩個真空度測量點，一個靠近真空泵機組進氣口，即測量點1(后簡稱閥后)，用于測量真空泵入口真空度，另外一個靠近真空罐系統(tǒng)，即測量點2(后簡稱閥前)，用于測量真空罐內(nèi)真空度。該設備在調(diào)試期間，真空計顯示閥后真空度為30Pa，閥前真空度為210Pa，系統(tǒng)阻降較大，閥前達不到67Pa的工作真空度，導致設備無法有效地脫除H，O，N等有害氣體，導致處理后的鋼種達不到要求。因此真空技術網(wǎng)(http:///)認為找出阻降產(chǎn)生的原因并降低阻降，使閥前真空度到達67Pa以上，就十分迫切和必要。

圖1真空脫氣設備原理圖1、原因分析

真空脫氣設備原理圖如圖1所示，閥前、閥后測量點的中間部分由氣體冷卻器、布袋除塵器及中間管道共同構成。因此阻降過大的原因可能由以下3種中的一種或共同作用產(chǎn)生：(1)管道自身的流導損失大；(2)布袋除塵器內(nèi)的布袋阻降過大；(3)氣體冷卻器阻降過大。第一種猜測，由于設計選擇的管道通徑較大，且變徑和轉(zhuǎn)彎很少，計算得知工作狀態(tài)下的壓差損失小于10Pa，缺陷以造成180Pa的阻降，

因此予以排除；第二種可能性，由于布袋除塵器內(nèi)部排布有很多細長的布袋，如圖2所示。濾布的當量孔徑約為10μm，經(jīng)多次使用后，粉塵粘附板結會造成布袋的透氣阻力增大(如圖3)，引起布袋前后壓差變大。由于布袋毛細孔排布不規(guī)則，難以建立透氣量數(shù)學模型，通過計算得到阻降值有較大難度。采取的措施是：加大布袋規(guī)格，更換了部分布袋。觀測出系統(tǒng)阻降有所變小，但效果不是很明顯。因此，可以確認布袋除塵器也不是造成阻降過大的根本原因。

圖2布袋除塵器簡圖圖3使用過后的布袋

那么氣體冷卻器(后簡稱氣冷器)是阻降過大的唯一可能。如圖4所示，該氣冷器由內(nèi)部多根列管并行排布構成，主要用于降低被抽廢氣溫度，使經(jīng)過氣冷器后的氣體溫度低于布袋的自燃溫度，起到保護布袋的作用。設計上采用被抽氣體走管程，冷卻水走殼程的方案。每根列管長度為5m，上下兩端各有一個法蘭盤焊接在氣冷器內(nèi)壁上，列管固定在上下兩個法蘭盤上。為了計算出進氣口和出氣口的阻降，我們建立了一個適用于工程設計的計算模型，以驗證冷卻器是阻降大小，并為日后工程設計提供方便。2、理論計算

2.1、模型建立

冷卻器原理圖如圖5所示，假設真空系統(tǒng)滿足流量連續(xù)性方程，冷卻器出口(靠近主泵口側(cè))的真空度為P2，冷卻器入口(靠近真空罐側(cè))的真空度為P1，由于列管的阻降，必定有P1>P2，同時假定P2已知，計算出P1。

圖4氣體冷卻器簡圖圖5氣體冷卻器原理圖

根據(jù)真空系統(tǒng)流量的連續(xù)性方程確定流量Q，同時計算出總的流導U，注意流導U由列管流導、變徑流導和縮孔流導組成，計算出來的流導需開展損耗系數(shù)ε修正，得到實際流導U1，根據(jù)流量與流導之間的關系，進而計算出間的阻降。

2.2、計算結果及分析

根據(jù)上述模型，我們選擇冷卻器出口真空度P2為40Pa~100Pa，依次計算冷卻器入口的真空度P1，并與麥氏真空計實測值作比照，得到結果如下表1所示：

表1不同的出口真空度P1對應的入口真空度P2

從表中可以看出，冷卻器的壓差范圍為202Pa~218Pa，與麥克勞真空計實測值210~220Pa非常接近，進一步證明了冷卻器自身的阻降是造成大壓差的主要原因。理論計算和實際測量的誤差是由于ε1選取及麥克勞真空計自身的測量誤差造成。3、改良措施

在保證設計的抽氣量和工作真空度的要求下，我們對冷卻器作了如下改良：

(1)增加氣冷器通導面積，有效提高氣冷器的流導，到達降低流阻的目的。

(2)調(diào)整列管排布構造，適當增加列管的數(shù)目，降低氣冷器進、出氣口壓差，同時應綜合考慮經(jīng)濟成本增加。

在上述改良措施的根底上，我們將冷卻器直徑調(diào)整到1800mm，列管數(shù)調(diào)整為400根，對排布構造開展了優(yōu)化。假定工作時P2為30Pa，表2比照了改良前后真空系統(tǒng)閥前閥后真空度，系統(tǒng)阻降及脫氫指標，從表中可以很明確的看出：當閥后真空度同為30Pa時，改良后的設備閥前真空度P1從230Pa降至51Pa，保證了罐內(nèi)67Pa工作真空度，同時系統(tǒng)阻降也從200Pa降至21Pa，壓差大為降低，終點[H]由2.2ppm降至1.4ppm，效果顯著，滿足了工藝上的要求。

表2改良前后系統(tǒng)真空度、阻降及脫氫指標比照4、結論

本文通過分析真空脫氣設備阻降過大的可能性原因，逐項排除推斷冷卻器是造成真空系統(tǒng)大阻降的主要原因，建立了一套數(shù)學模型，計算出冷卻器的前后壓差，得出了如下結論：

(1)計算得出氣體冷卻除塵器是造成大阻降的根本原因；

(2)通過增加氣冷器通導面積、調(diào)整列管排布構造、適當增加列管